Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) – kompaktowe, wydajne i niezawodne lasery półprzewodnikowe emitujące światło prostopadle do powierzchni struktury.

W laserach VCSEL rezonator optyczny jest zorientowany prostopadle do powierzchni półprzewodnika. Obszar aktywny, zawierający najczęściej studnie kwantowe, znajduje się pomiędzy dwoma zwierciadłami o wysokim współczynniku odbicia – zazwyczaj zwierciadłami Bragga (DBR). Taka konstrukcja umożliwia uzyskanie bardzo krótkiej wnęki rezonansowej, niskiego prądu progowego oraz emisji wiązki o małej eliptyczności. W przypadku odpowiednio zaprojektowanych, jednomodowych VCSELi profil intensywności wiązki może być zbliżony do gaussowskiego.

Medium wzmacniającym światło jest heterostruktura półprzewodnikowa, której obszar aktywny zazwyczaj składa się z kilku studni kwantowych. Wiedza o efektach kwantowych nośników oraz własnościach materiałów półprzewodnikowych pozwalają odpowiednio zaprojektować architekturę materiału, otrzymując odpowiednią strukturę energetyczną i widmo wzmocnienia optycznego.

W Łukasiewicz – IMiF opracowano lasery VCSEL pracujące na długościach fali 760, 850, 940 i 980 nm. Zakres ten obejmuje źródła przeznaczone m.in. do spektroskopii i detekcji gazów, komunikacji optycznej, systemów pomiaru 3D oraz innych zastosowań czujnikowych i fotonicznych.

Popularne długości fali laserów VCSEL w obszarze bliskiej podczerwieni (NIR)

VCSEL 760 nm są wyspecjalizowanymi źródłami wykorzystywanymi przede wszystkim w spektroskopowej detekcji tlenu, w szczególności metodami TDLAS. Obszar o długości około 760 nm obejmuje silne linie pasma A tlenu. Jednomodowe VCSEL w tym zakresie charakteryzują się bardzo małymi prądami progowymi, rzędu ułamków lub pojedynczych miliamperów oraz mocami optycznymi od kilkuset µW do kilku mW. Istotnymi parametrami są możliwość przestrajania długości fali prądem i temperaturą, stabilność polaryzacji, SMSR oraz precyzyjne dopasowanie długości fali do wybranej linii absorpcyjnej O₂.

VCSEL 850 nm należą do najważniejszych źródeł wykorzystywanych w krótkodystansowej komunikacji optycznej i interkonektach światłowodowych, szczególnie przy użyciu włókien wielomodowych. Nowoczesne konstrukcje osiągają szerokości pasma modulacji rzędu kilkudziesięciu GHz i umożliwiają transmisję od dziesiątek do ponad 100 Gbit/s na kanał przy zastosowaniu zaawansowanych formatów modulacji. Jest to jeden z najbardziej dojrzałych i wysokowolumenowych segmentów technologii VCSEL.

VCSEL 940 nm są szeroko wykorzystywane jako źródła promieniowania w systemach obrazowania i pomiaru 3D, m.in. w kamerach Time-of-Flight (ToF), systemach rozpoznawania twarzy, monitorowania kierowcy, robotyce i systemach przemysłowych. Typowe macierze VCSEL osiągają moce szczytowe od kilku do kilkunastu watów, a konstrukcje wielozłączowe umożliwiają uzyskanie jeszcze większych mocy. Kluczowe parametry obejmują sprawność elektrooptyczną, jednorodność emisji macierzy, czas narastania impulsu i niezawodność.

VCSEL 980 nm są atrakcyjne m.in. dla szybkich interkonektów optycznych, komunikacji optycznej oraz zastosowań czujnikowych. W porównaniu z VCSEL 850 nm mogą oferować korzystne właściwości temperaturowe i wysoką efektywność energetyczną. Rozwijane są zarówno pojedyncze emitery, jak i macierze przeznaczone do zastosowań wymagających większej mocy optycznej. Matryce VCSEL 980 nm mogą być realną konkurencją dla laserów krawędziowych (EEL), przede wszystkim w zastosowaniach wymagających dużej całkowitej mocy rozłożonej na większej powierzchni, jednorodnego oświetlenia oraz prostego skalowania mocy.

Jakie jest zastosowanie laserów VCSEL?

• LIDARy,
• komunikacja,
• aplikacje biometryczne,
• sensory optyczne,
• mikrofony do komunikacji wewnątrzsatelitarnej i interkonekty optyczne.